CN116124745A - 一种基于二维反馈结构的光微流激光生物标志物检测仪 - Google Patents

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Abstract

本发明属于生物传感器设计领域，涉及生物标志物检测，具体提供一种基于二维反馈结构的光微流激光生物标志物检测仪，用以实现生物标志物的高灵敏度检测。本发明采用镀有高反介质膜的圆形毛细管或方形毛细管构成微流通道和二维反馈结构法布里‑珀罗谐振腔、并作为检测模块，进而与泵浦光源模块、光谱检测模块共同构建得到光微流激光生物标志物检测仪；二维反馈结构的法布里‑珀罗谐振腔能够有效增强光和物质相互作用，提升检测仪的灵敏度，能够实现生物标志物的超低浓度检测，同时具有检测时间快、试剂消耗量小等优点；并且，能够实现多种生物标志物的检测，实现不同种类生物标志物检测分析，提升了面向人类重大疾病检测的准确率。

Description

一种基于二维反馈结构的光微流激光生物标志物检测仪
技术领域
本发明属于生物传感器设计领域，涉及生物标志物检测，具体提供一种基于二维反馈结构的光微流激光生物标志物检测仪，用以实现生物标志物的高灵敏度检测。
技术背景
大多数人类重大疾病发病早期无典型症状，早期诊断率比较低，往往错过最佳诊治阶段；生物标志物是临床诊疗重大疾病的重要参考，人体发生病变后相应的生物标志物的含量会随之发生改变，通过检测生物标志物含量的变化能够起到早期预防的作用，但超低浓度、快速检测始终是生物标志物检测需要突破的难题。
免疫比浊法是借助抗原抗体的特异性免疫识别测定样品中对应抗原或抗体的浓度的检测方法，在抗体(抗原)过量的情况下，在反应体系中加入一定量的抗原(抗体)，抗原抗体特异性结合生成免疫复合物微粒，形成悬浊液；加入的抗原(抗体)浓度越高，形成的悬浊液浊度越高，对入射光的吸收和散射越高，从而可以通过测定透射光或散射光变化来检测抗原(抗体)浓度；但现有的无标记免疫分析方法的检测灵敏度不够高，在待测物浓度过低或分子量太小，生成的悬浊液浊度太低的情况下不适用，限制了它的使用范围。
光微流激光是近年发展起来的新兴技术，逐渐成为一种高灵敏的生化分析平台，其原理是在光学谐振腔的光反馈作用下，腔内待测物的浓度变化在激光的放大作用下随之放大，增强传感信号对检测物的敏感性，并且通入微流通道能够减少待测样品使用量。良好性能的谐振腔是光微流激光的必要条件，兼容性好、操作简单、可实现与增益介质的相互作用的法布里-珀罗谐振腔是使用较多的谐振腔。传统法布里-珀罗谐振腔由两个镀有高反膜的平行反射镜组成，光在两个反射镜之间来回反射形成谐振，理论上入射光将在纵向方向上来回反射，但由于搭建工艺的限制，入射光在横向方向上仍存在较高损耗。因此，基于传统法布里-珀罗谐振腔的光微流激光生物标志物检测仪的检测光光强下降，导致检测灵敏度下降。
发明内容
本发明的目的在于针对现有基于传统法布里-珀罗谐振腔的光微流激光生物标志物检测仪的检测灵敏度低的问题，提供一种基于二维反馈结构的光微流激光生物标志物检测仪；本发明采用镀有高反介质膜的圆形毛细管或方形毛细管构成微流通道和二维反馈结构法布里-珀罗谐振腔、并作为检测模块，将免疫比浊法与光微流激光技术相结合，构建得到光微流激光生物标志物检测仪，能够实现生物标志物的超低浓度检测，同时具有检测时间快、试剂消耗量小等优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于二维反馈结构的光微流激光生物标志物检测仪，包括：泵浦光源模块、样品检测模块与光谱检测模块，泵浦光源模块为样品检测模块提供泵浦激光，光谱检测模块采集由样品检测模块出射的激光信号并进行数据处理；其特征在于：
所述样品检测模块包括：激光腔5，所述激光腔5采用外表面镀有高反射介质膜的毛细管、并形成二维反馈结构的法布里-珀罗谐振腔，毛细管同时用作微流通道。
进一步的，所述激光腔采用圆形毛细管或方形毛细管。
进一步的，所述高反射介质膜呈现532nm高透射率、580～680nm高反射率的特性，532nm为泵浦激光的波长，580～680nm为激光腔提供光反馈的波段；所述高反射介质膜在580～680nm的反射率为99.99％。
进一步的，所述泵浦激光入射到法布里-珀罗谐振腔的入射角度为0°。
进一步的，所述泵浦光源模块包括：脉冲激光器1、能量计2、会聚透镜3及激光反射镜4，脉冲激光器1输出脉冲泵浦激光，通过会聚透镜3会聚圆形光斑，再经过激光反射镜4垂直照射到激光腔5中，能量计2可检测输出脉冲激光强度。
进一步的，所述光谱检测模块包括：收集元件6、传输光纤7、光谱仪8、计算机9，收集元件6将采集到的激光信号耦合到传输光纤7中，沿传输光纤传输到光谱仪8，光谱仪对激光信号进行处理得到光谱信息并输出至计算机9，计算机9对光谱信息进行数据处理得到生物标志物检测结果。
从工作原理上讲：在传统法布里-珀罗谐振腔中，两个镀有高反膜的平行反射镜仅仅能够为入射光提供一个方向上的光反馈，即为一维光反馈结构；通常情况下，入射光将在纵向方向上来回反射，但由于搭建工艺的限制，两个反射镜并不能做到绝对平行，导致入射光在横向方向上存在较高损耗；当基于传统法布里-珀罗谐振腔进行光微流激光生物标志物检测时，较高的损耗则会导致检测光光强明显下降，进而导致检测灵敏度下降。针对该问题，本发明提出激光腔直接镀膜的设计，于激光腔的表面均进行镀膜(高反膜)，形成全镀膜的法布里-珀罗谐振腔结构，对入射光提供二维光反馈，同时用作微流通道；当采用该二维反馈结构的法布里-珀罗谐振腔作为检测模块进行光微流激光生物标志物检测时，入射光正常在纵向方向上来回反射，同时全镀膜结构有效降低工艺造成的横向方向上的损耗，因此光和物质在腔内相互作用大大增加，光子寿命延长，进而实现更高灵敏度的检测。
从传感机理上讲：采用脉冲泵浦激光作为泵浦光源，将抗原抗体形成的复合物和染料混匀后通入到法布里-珀罗谐振腔内，谐振腔中激光传输时遇到复合物会产生吸收、散射、反射，从而导致透射光强下降；复合物浓度增大时激光传输中遇到的复合物增多，导致透射光强下降增多；微流激光的强度下降程度与复合物浓度成正比，因此，通过探测微流激光的强度来实现待测液浓度的传感。
基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：
本发明提供一种基于二维反馈结构的光微流激光生物标志物检测仪，具有如下优点，
1、本发明对样品检测模块进行创新设计，采用圆形毛细管或方形毛细管作为二维反馈结构的法布里-珀罗谐振腔，同时用作微流通道，实现谐振腔与微流通道一体化，降低成本；二维反馈结构的法布里-珀罗谐振腔能够有效减少入射光在横向方向上的损耗，进而有效增强光和物质相互作用，增强检测仪的灵敏度；
2、本发明将光微流激光技术与免疫比浊法结合，利用抗原抗体复合物调控激光输出，实现更高灵敏、快速、简单易操作和低成本的检测；
3、本发明提供的生物标志物检测仪可通过改变染料的种类和生物标志物的种类，实现不同种生物标志物的检测，具有通用性。
附图说明
图1为本发明中基于二维反馈结构的光微流激光生物标志物检测仪的结构示意图。
图2为本发明中二维反馈结构法布里-珀罗谐振腔的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案与有益效果更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例提供一种基于二维反馈结构的光微流激光生物标志物检测仪，其结构如图1所示，具体包括：泵浦光源模块I、样品检测模块II与光谱检测模块III；其中，泵浦光源模块I为样品检测模块提供泵浦光，光谱检测模块III采集由样品检测模块II出射的激光信号、并进行数据处理。
更具体的讲：
所述泵浦光源模块I包括：脉冲激光器1、能量计2、会聚透镜3及激光反射镜4，脉冲激光器1输出脉冲泵浦激光，通过会聚透镜3会聚圆形光斑，再经过激光反射镜4垂直照射到样品检测模块II激光腔5中；
所述样品检测模块包括：激光腔5，如图2所示，激光腔5可以由镀有高反介质膜的圆形毛细管5-1或是镀有高反介质膜的方形毛细管5-2构成，圆形或方形毛细管的两端分别采用紫外胶固化连通软管，用于存储增益介质溶液与待测样品溶液；以上结构均可构成二维光反馈结构的法布里-珀罗谐振腔，同时用作微流通道；所述脉冲泵浦光入射到法布里-珀罗谐振腔内后，染料分子吸收脉冲泵浦光能量，发生受激辐射，产生激光传感信号输出；
所述光谱检测模块包括：收集元件6、传输光纤7、光谱仪8、计算机9，收集元件6将采集到的激光信号耦合到传输光纤7中，沿传输光纤传输到光谱仪8，光谱仪对激光信号进行处理得到光谱信息并输出至计算机9，计算机9对光谱信息进行数据处理得到生物标志物检测结果。
本实施例中，激光反射镜4采用长波通二向色镜，其截止波长为550nm，即二向色镜对380nm-550nm波长的光具有高反射率，约为99.3％；对550nm-800nm的光具有高透射率，约为98.5％；因此二向色镜能反射532nm的泵浦激光至FP腔，并透射550nm-680nm的出射激光；圆形毛细管或方形毛细管所镀高反射介质膜呈532nm高透射率、580～680nm高反射率(99.99％)的特性；激光腔5(镀有高反介质膜的圆形毛细管5-1或是镀有高反介质膜的方形毛细管5-2)中通入待测液，532nm的圆形光斑(脉冲泵浦光)垂直照射到微流通道中，光微流通道内的激光染料在泵浦光的作用下产生受激辐射，580～680nm的受激辐射光子在法布里-珀罗谐振腔中来回反射。
采用上述基于二维反馈结构的光微流激光生物标志物检测仪对癌胚抗原CEA胶乳增强免疫比浊法试剂浓度进行传感，具体步骤如下：
步骤一、癌胚抗原CEA胶乳免疫比浊法试剂浓度配备：
将标准品按一定的浓度梯度进行稀释，取10μL的稀释样品与80μL缓冲液混合均匀，置于37℃的孵育箱中，恒温加热孵育5min；再向上述混合溶液中加入20μL的过量抗体溶液并混合均匀，置于37℃的孵育箱中，恒温加热孵育5min；最后将孵育好的混合液与200μL浓度为1.2mM的罗丹明B水溶液、1690μL的水混合均匀；
步骤二、癌胚抗原CEA传感实验测量：
在微流通道中通入最低浓度待测液，记录待测液所对应的激光强度，测量时需要关注能量计的示数，保持激光光源能量稳定；测量过程中，抗原抗体发生特异性结合，光微流通道内的激光染料在泵浦光的作用下产生受激辐射，受激辐射光子在法布里-珀罗谐振腔中来回反射，利用光学微腔和激光的放大作用，可区分生化过程中的细微变化；
测量完毕后清洗微流通道，再通入下一浓度待测液，将各个浓度的待测液所对应激光强度绘制成积分光强。
上述过程为本实施例针对癌胚抗原CEA做传感实验，对于不同的生物标志物可选用不同的激光染料，在此装置上通入不同生物标志物待测液，例如：癌胚抗原CEA、神经元特异性烯醇化酶(NSE)等，实现多种生物标志物的检测。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (6)

1.一种基于二维反馈结构的光微流激光生物标志物检测仪，包括：泵浦光源模块、样品检测模块与光谱检测模块，泵浦光源模块为样品检测模块提供泵浦激光，光谱检测模块采集由样品检测模块出射的激光信号并进行数据处理；其特征在于：
所述样品检测模块包括：激光腔(5)，所述激光腔采用外表面镀有高反射介质膜的毛细管、并形成二维反馈结构的法布里-珀罗谐振腔，毛细管同时用作微流通道。
2.按权利要求1所述基于二维反馈结构的光微流激光生物标志物检测仪，其特征在于，所述激光腔采用圆形毛细管或方形毛细管。
3.按权利要求1所述基于二维反馈结构的光微流激光生物标志物检测仪，其特征在于，所述高反射介质膜呈现532nm高透射率、580～680nm高反射率的特性，532nm为泵浦激光的波长，580～680nm为激光腔提供光反馈的波段；所述高反射介质膜在580～680nm的反射率为99.99％。
4.按权利要求1所述基于二维反馈结构的光微流激光生物标志物检测仪，其特征在于，所述泵浦激光入射到法布里-珀罗谐振腔的入射角度为0°。
5.按权利要求1所述基于二维反馈结构的光微流激光生物标志物检测仪，其特征在于，所述泵浦光源模块包括：脉冲激光器(1)、能量计(2)、会聚透镜(3)及激光反射镜(4)，脉冲激光器(1)输出脉冲泵浦激光，通过会聚透镜(3)会聚圆形光斑，再经过激光反射镜(4)垂直照射到激光腔(5)中，能量计(2)用于检测输出脉冲泵浦激光的强度。
6.按权利要求1所述基于二维反馈结构的光微流激光生物标志物检测仪，其特征在于，所述光谱检测模块包括：收集元件(6)、传输光纤(7)、光谱仪(8)、计算机(9)，收集元件(6)将采集到的激光信号耦合到传输光纤(7)中，沿传输光纤传输到光谱仪(8)，光谱仪对激光信号进行处理得到光谱信息并输出至计算机(9)，计算机(9)对光谱信息进行数据处理得到生物标志物检测结果。
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